Механизм образования соляной кислоты

Согласно карбоангидразной теории, источником Н⁺ для HCl является Н₂СО₃, которая об­разуется в обкладочных клетках желудка из СО₂ и Н₂О под действи­ем карбоангидразы: Н₂О + СО₂ → Н₂СО₃

образует коллоидную систему, в которой растворены компоненты желудочного сока. Обладает буферными свойствами, способна нейтрализовать кислотность или щелочность. Фактор Касла – гастромукопротеид, содержит пептид, отщепляющийся оп пепсиногена (секрет главных клеток) и мукоид (секрет добавочных клеток). Или образуется париетальными клетками?. Фактор Касла связывает «внешний фактор» – витамин В₁₂, предотвра­щает его разрушение и способствует всасыванию. Лизоцим - белок, обеспечивающий бактерицидные свойства желудочного сока. Нарушения переваривания белков в желудке При заболеваниях желудка в желудочном соке часто происходит изменение содержание соляной кислоты, реже - снижение активности пищеварительных ферментов, что приводит к нарушению процессов переваривания белков. Для диагностики заболеваний желудка определяют кислотность желудочного сока, содержание в нем свободной и связанной HCl, пепсина, фактора Касла и наличие патологических компонентов: молочной кислоты и крови. Определение кислотности желудочного сока Кислотность желудочного сока выражается в титрационных единицах (Т.Е.), определяется количеством мл 0,1Н раствора NaOH, пошедшего на титрование 100 мл желудочного сока. Титрование проводят в присутствии двух индикаторов, что позволяет в одной пробе определить свободную HCl, связанную HCl и общую кислотность. В норме общая кислотность у взрослых составляет 40-60 Т.Е, кислотность свободной HCl - 20-40 Т.Е., связанной HCl - 20-30 Т.Е. В качестве нарушений выделяют: Повышенная кислот­ностьжелудочного сока. Она обычно сопровождается изжогой, диареей и может быть симптомом язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, а также гиперацидного гастрита. Пониженная кислотностьжелудочного сока. Бывает при некоторых видах гастритов. Желудочная ахилия - полное отсутствие НС1 и пепсина в желудочном соке. Наблюдается при атрофических гастритах и час­то сопровождается пернициозной анемией вслед­ствие недостаточности выработки фактора Касла и нарушения всасывания витамина В₁₂. Анацидность -рН желудочного сока >6,0. Свидетельствует о значительной потере сли­зистой оболочкой желудка обкладочных клеток, секретирующих соляную кислоту, что часто вы­зывает рак желудка. Наличие молочной кислоты. В норме в желудочном соке молочная кислота отсутствует. Она образуется при уменьшении со­держания или отсутствии свободной соляной кислоты в результате размножения молочнокис­лых бактерий или при злокачественных опухо­лях желудка, в клетках которых глюкоза окис­ляется анаэробным путём. Наличие крови. Эритроциты появляются в желудочном соке при кровотечениях вследствие механических травм, язв и распада опухоли. эластаза, коллагеназа, карбоксипептидазы А и В, и несколько активных химотрипсинов (π, δ, α). Химотрипсиноген состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 245 АК и пяти дисульфидных мостиков. Под действием трипсина расщепляется пептидная связь между 15-й и 16-й аминокислотами, в результате чего образуется активный π-химотрипсин. Далее π-химотрипсин отщепляет дипептид сер(14)-арг(15), что приводит к образова­нию δ-химотрипсина. δ-химотрипсин отщепляет дипептида тре(147)-арг(148) что приводит к образова­нию стабильной формы активного фермента — α-химотрипсина, который состоит из трёх полипеп­тидных цепей, соединённых дисульфидными мостиками. Специфичность действия протеаз Трипсин преимущественно гидролизует пеп­тидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина. Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных свя­зей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот (Фен, Тир, Три). Карбоксипептидазы А и В — цинксодержащие ферменты, отщепляют аминокислоты с С-конца. Карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно аминокислоты, содержащие ароматические или гидрофобные радикалы, а карбоксипептидаза В — остатки аргинина и лизина. Поджелудочный сок обеспечивает в просвете кишки полостное переваривание. Ферменты поджелудочной железы гидролизуют полипептиды пищи до олигопептидов и аминокислот. Возрастные особенности панкреатического сока Протеолитическая активность пищеварительного сока поджелудочной железы находится на довольно высоком уровне уже с первых месяцев жизни, достигая максимума к 4-6 годам. Липолитическая активность увеличивается в течение первого года ребенка. Активность поджелудочной амилазы к концу первого года жизни возрастает в 4 раза, достигая максимальных значений к 9 годам. Кишечный сок Кишечный сок является продуктом деятельности всей слизистой оболочки кишечника и представляет собой неоднородную вязкую жидкость, с величиной рН=7,2-8,6 (с усилением секреции рН повышается). За сутки у человека в тонкой кишке выделяется до 2,5л сока, а в толстой кишке - 50-100мл сока. Кишечный сок продуцируется в основном бруннеровыми железами 12-перстной кишки и либеркюновыми железами 12-перстной, тощей и подвздошной кишок. Основной компонент кишечного сока - вода, в которой растворены органические (белки, аминокислоты, промежуточные продукты обмена, слизь) и неорганические (хлориды, бикарбонаты, фосфаты натрия, калия, кальция) компоненты. В кишечном соке содержится более 20 ферментов, гидролизующих углеводы (мальтаза, трегалаза, инвертаза, лактаза, а- и γ-амилазы), белки и их фрагменты (аминопептидазы, трипептидазы, дипептидазы, энтерокиназа), липиды (моноглицеридлипаза, карбоксиэстераза), нуклеазы, фосфатазы и другие гидролазы. Состав кишечного сока меняется в зависимости от пищи. Экзопептидазы (аминопептидазы, три- и дипептидазы) синтезируются ки­шечником сразу в активной форме, они гидролизуют оставшиеся олигопептиды до аминокислот. Аминопептидазыпоследовательно отщепляют N-концевые аминокислоты пептидной цепи. · белки, продукты гидролиза; · бомбензин; инсулин; адреналин (слабо); · высокий уровень глюкокортикоидов; · гиперкальциемия. Секрецию гастрина угнетают: · высокий уровнень HCl в желудке; · холецистокинин; · секретин; · глюкагон; · серотонин; · ГИП; · ВИП; · простагландин Е; · эндогенные опиоиды — эндорфины и энкефалины; · аденозин; · кальцитонин; · соматостатин (сильно); Эффекты гастрина: · Гастрин связывается с гастриновыми рецепторами в желудке и активирует через аденилатциклазную систему синтез желудочного сока: он стимулирует секрецию НС1, пепсиногена, бикарбонатов и слизи в слизистой желудка. · Гастрин увеличивает продукцию простагландина E в слизистой желудка, что приводит к местному расширению сосудов, усилению кровоснабжения и физиологическому отёку слизистой желудка и к миграции лейкоцитов в слизистую. Лейкоциты принимают участие в процессах пищеварения, секретируя различные ферменты и производя фагоцитоз. · Гастрин тормозит опорожнение желудка, что обеспечивает достаточную для переваривания пищи длительность воздействия соляной кислоты и пепсина на пищевой комок. · Рецепторы к гастрину имеются и в тонкой кишке и поджелудочной железе. Гастрин увеличивает секрецию секретина, холецистокинина, соматостатина и ряда других гормонально активных кишечных и панкреатических пептидов, а также секрецию кишечных и панкреатических ферментов. Тем самым гастрин создаёт условия для осуществления следующей, кишечной, фазы пищеварения. Гистамин биогенный амин, образующийся в энтерохромафиноподобных клетках (ECL) при декарбоксилировании аминокислоты гистидина. Секрецию гистамина стимулирует ацетилхолин вагуса, гастрин, ингибирует HCl. Гистамин, через Н₂-рецепторы, усиливает секрецию HCl обкладочными клетками. Простогландины вырабатываются покровными эпителиоцитами. Секрецию простогландинов стимулирует HCl, ингибируют глюкокортикоиды. Простогландины стимулируют слизеобразование, секрецию бикарбонатов(нейтрализация рН), усиливают кровообращения в желудке. Серотонин – биогенный амин, образуется в энтерохромафинных эндокриноцитах (ЕС) из 5-окситриптофана. Секрецию серотонина стимулирует HCl. Серотонин стимулирует секреторную (главные и слизистые клетки) и двигательную активность (миоциты) клеток желудка. Соматостатин (пептид) образуется в D-клетках. Соматостатин ингибирует синтез ферментов, гормонов, соляной кислоты, увеличивает скорость всасывания воды и электролитов в тонкой кишке, снижает концентрацию вазоактивных пептидов в крови, уменьшает частоту актов дефекации и массу кала. 1. Симпорт аминокислот с Na⁺. Симпортом с Nа⁺ переносятся аминокислоты из первой и пятой группы, а также метионин. L-аминокислота поступает в энтероцит путём симпорта с ионом Na^+. Далее специфическая транслоказа переносит ами­нокислоту через мембрану в кровь. Обмен ионов натрия меж­ду клетками осуществляется путём первично-активного транс­порта с помощью Na⁺, К⁺-АТФ-азы. 2. γ-Глутамильный цикл. γ-глутамильный цикл переносит некоторые нейтральные аминокислоты (фенилаланин, лейцин) и аминокислоты с катион­ными радикалами (лизин) в кишечнике, почках и, по-ви­димому, мозге. В этой системе участвуют 6 ферментов, один из которых находится в клеточной мембране, а остальные — в цитозоле. Мембранно-связанный фермент γ-глутамилтрансфераза (гликопротеин) катализирует перенос γ-глутамильной группы от глутатиона на транспортируемую аминокислоту и последую­щий перенос комплекса в клетку. Амнокислота отщепляется от у-глутамильного остатка под действием фермента у-глутамилциклотрансферазы. Дипептид цистеинилглицин расщепляется под действием пептидазы на 2 аминокислоты — цистеин и глицин. В результате этих 3 реакций про­исходит перенос одной молекулы аминокислоты в клетку (или внутриклеточную структуру). Сле­дующие 3 реакции обеспечивают регенерацию глутатиона, благодаря чему цикл повторяется многократно. Для транспорта в клетку одной мо­лекулы аминокислоты с участием у-глутамильного цикла затрачиваются 3 молекулы АТФ. Поступление аминокислот в организм осуществляется двумя путя­ми: через воротную систему печени, ведущую прямо в печень, и по лимфатическим сосудам, сообщающимся с кровью через грудной лимфа­тический проток. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30—50 мин после приёма белковой пищи (углеводы и жиры замедляют всасывание аминокислот). Аминокислоты при всасывании конкурируют друг с другом за специфические участки связывания. Например, всасывание лейцина (если концентрация его достаточно высока) уменьшает всасывание изолейцина и валина. НАРУШЕНИЕ ПЕРЕВАРИВАНИЯ БЕЛКОВ И ТРАНСПОРТА АМИНОКИСЛОТ Не­переносимость белков пищи (например, моло­ка и яиц) у взрослых людей. В норме у взрослых людей из кишечника кровь попадают только лишенные анти­генных свойств аминокислоты. Однако, у некоторых людей происходит всасывание в ЖКТ недопериваренных пептидов, антигенные свойства которых вызывают им­мунные реакций. У новорожденных проницаемость слизистой оболочки кишечника выше, чем у взрослых, по­этому в кровь поступают белки (антитела) молозива, необходимые для создания пассивного иммунитета. Процесс облегчается наличием в молозиве белка— ингибитора трип­сина и низкой активностью протеолитических ферментов новорождённых. При заболевании целиакии (нетропической спру) происходит нарушение кле­ток слизистой оболочки кишечника, где всасы­ваются небольшие негидролизованные пептиды. Целиакия характеризуется повышенной чувстви­тельностью к глютену — белку клейковины зё­ рен злаков, употребляемых с пищей человеком. Этот белок оказывает токсическое действие на слизистую оболочку тонкой кишки, что приво­дит к её патологическим изменениям и наруше­нию всасывания. · Служат источником азота при синтезе всех азотсодержащих небелковых соединений (нуклеотиды, гем, креатин, холин и др); · Выполняют регуляторную функцию (гли, глу - нейромедиаторы); · служат источником энергии для синтеза АТФ. ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЛА АМИНОКИСЛОТ В КРОВИ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ Большая часть аминокислот организма человека, примерно 15кг, входит в состав белков. Фонд свободных АК организма составляет примерно 35г. Источниками АК в организме являются белки пищи, белки тканей и синтез АК из углеводов. В сутки у человека распадается на АК около 400г белков, примерно такое же количество синтезируется. Специальной формы депонирова­ния АК, подобно глюкозе (в виде гли­когена) или жирных кислот (в виде ТГ), не существует. Поэтому резервом АК служат все белки тканей, но преимуще­ственно белки мышц (т.к. их много). ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ АК, появившиеся в организме, включаются в общие и специфические реакции обмена. К общим реакциям обмена АК относят реакции трансаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования, биосинтеза белков и рацемизации (L переходы D). ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ (ПЕРЕАМИНИРОВАНИЕ) АМИНОКИСЛОТ Трансаминирование — реакция переноса α-аминогруппы с АК на α-кетокислоту, в результате чего образуются новая α-кетокислота и новая АК. Процесс трансаминирования легко обратим, при нем общее количество АК в клетке не меняется. ФОРМУЛА! Органоспецифичные аминотрансферазы АЛТ и АСТ Чаще всего в трансаминировании участвуют АК и кетокислоты, которых много в организме — глу, ала, асп, α-КГ, ПВК и ЩУК. Основным донором аминогруппы служит глу, а кетогруппы - α-КГ. Наиболее распространёнными аминотрансферазами в большинстве тканей млекопитающих являются аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (ACT). АЛТ катализирует реакцию трансаминирования между ала и α-КГ: ала+α-КГ↔ПВК+глу АЛТ локализуется в цитозоле клеток многих органов, больше всего ее в клетках печени и миокарде. ACT катализирует реакцию трансаминирования между асп и α-КГ: асп+α-КГ↔ЩУК+глу ACT имеет как цитоплазматическую, так и митохондриальную формы. Наибольшее ее количество обнаружено в миокарде и печени. АСТ и АЛТ являются органоспецифичными ферментами, их определяют в крови для диагностики заболеваний печени, сердца и, в меньшей степени, скелетных мышц. Соотношение активностей АСТ/АЛТ называют «коэффициент де Ритиса». В норме он равен 1,33±0,42. При инфаркте миокарда активность ACT в крови увеличивается в 8—10 раз, а АЛТ — в 1,5—2,0 раза, коэффициент де Ритиса резко возрастает. При гепатитах активность АЛТ в сыворотке крови увеличивается в - 8—10 раз по сравнению с нормой, a ACT — в 2—4 раза. Коэффициент де Ритиса снижается до 0,6. Биологическое значение трансаминирования Реакции трансаминирования обеспечивают синтез и распад амино- и кетокислот, перераспределение аминного азота в тканях организма. ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ Дезаминирование АК — реакция отщепления α-аминогруппы от АК, в результате чего образуется соответствующая α-кетокислота и выделяется молекула аммиака. Дезаминирование бывает прямым и непрямым. Прямое дезаминирование АК Прямое дезаминирование - это дезаминирование, которое происходит в 1 стадию с участием одного фермента. Прямому дезаминированию повергаются глу, гис, сер, тре, цис. Существует 5 видов прямого дезаминирования АК: 1. окислительное; 2. неокислительное; 3. внутримолекулярное; 4. восстановительное; 5. гидролитическое. Окислительное дезаминирование -самый активный вид прямого дезаминирования АК. 1. Глутаматдегидрогеназа (глу-ДГ) - олигомер, состоящий из 6 субъединиц (молекулярная масса 312 кД), содержит кофермент НАД⁺. Глу-ДГ катализирует обратимое дезаминирование глу, очень активна в митохондриях клеток практически всех органов, кроме мышц. Глу-ДГ аллостерически ингибируют АТФ, ГТФ, НАДH₂, активирует избыток АДФ. Индуцируется Глу-ДГ стероидными гормонами (кортизолом). Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование α-иминоглутарата, затем — неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется α-кетоглутарат. Оксидаза L-АК имеет кофермент ФМН. Т.к. оптимум рН оксидазы L-АК равен 10,0, активность фермента очень низка и вклад ее в дезаминирование незначителен. 3. Оксидаза D-аминокислот Оксидаза D-аминокислот также обнаружена в почках и печени. Это ФАД-зависимый фермент, с оптимумом рН в нейтральной среде. Оксидаза D-аминокислот превращает, спонтанно образующиеся из L-аминокислот, D-аминокислоты в кетокислоты. ФОРМУЛА! Неокислительное дезаминирование В печени человека присутствуют специфические пиридоксальфосфатзависимые ферменты сериндегидратаза, треониндегидратаза, катализирующие реакции неокислительного дезаминирования аминокислот серина и треонина. ФОРМУЛА! Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование)АК Непрямое дезаминирование - это дезаминирование, которое происходит в 2 стадий с участием нескольких ферментов. Оно характерно для большинства АК, так как они не способны к прямому дезаминированию (нет ферментов). На первой стадии происходит одна и несколько реакций переаминирования с участием аминотрансфераз, в результате аминогруппа АК переходит на кетосоединение (α-КГ, ИМФ). На второй стадии происходит реакция дезаминирования аминосоединения (глу, АМФ), в результате чего образуется аммиак. Последовательность реакций непрямого дезаминирования зависит от набора ферментов в тканях. Непрямое дезаминирование в печени Непрямое дезаминирование АК происходит при участии 2 ферментов: аминотрансферазы и глу-ДГ. Аминогруппы АК в результате трансаминирования переносятся на α-КГ с образованием глутамата, который затем подвергается прямому окислительному дезаминированию. ФОРМУЛА! Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм АК, так и возможность образования практически любой АК из соответствующей α-кетокислоты. При энергодефиците АДФ активирует Глу-ДГ, что усиливает катаболизм АК и образование а-кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический субстрат. Таким образом, Глу-ДГ играет ключевую роль в регуляции обмена АК и энергии. Непрямое дезаминирование в мышцах (и нервной ткани) В мышечной ткани активность глу-ДГ низка, поэтому при интенсивной физической нагрузке функционирует ещё один путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ. ФОРМУЛА!   Гликогенные аминокислоты - АК, которые превращаются в ПВК и промежуточные продукты ЦТК (а-КГ, сукцинил-КоА, фумарат, ЩУК). Они через ЩУК, используются в глюконеогенезе (ала, асн, асп, гли, глу, глн, про, сер, цис, арг, гис, вал, мет, тре). Кетогенные аминокислоты – АК, которые в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (Лиз, Лей) или ацетил-КоА (Лей) и могут использоваться в синтезе кетоновых тел. Смешанные (глико-кетогенными) аминокислоты – АК, при катаболизме которых образуются метаболит цитратного цикла и ацетоацетат (Три, Фен, Тир) или ацетил-КоА (Иле). Эти АК используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел. ОБМЕН АММИАКА Аммиак в организме образуется: · при дезаминировании АК во всех тканях (много); · при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов во всех тканях (мало); · при дезаминировании АМФ в интенсивно работающей мышце; · при гниении белков в кишечнике. Концентрация аммиака Концентрация аммиака в сыворотке крови в норме 11—35 мкмоль/л. В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях рН аммиак переходит в ион аммония — NH₄⁺, количество неионизированного NH₃ невелико (~ 1%). (Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов). В митохондриях орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбамоилфосфата на орнитин и образуется — цитруллин: ФОРМУЛА! Глутамат подвергается трансаминированию с ПВК с образованием аланина и α-кетоглутарата. Аланин поступает из кишечника в кровь воротной вены и поглощается печенью. В мышцах: Образование аланина в мышцах, его перенос в печень связан с обратным переносом в мышцы синтезированной в печени глюкозы. Этот процесс называется глюкозо-аланиновый цикл: ФОРМУЛА! Образовавшийся аммиак поступает через воротную вену в печень или удаляется из организма с фекалиями. Высокий уровень глутамина в крови и лёгкость его поступления в клетки обусловливают использование глутамина во многих анаболических процессах. Глутамин — основной донор азота в организме. Амидный азот глутамина используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аспарагина, аминосахаров и других соединений. Обмен аспарагина Обезвреживание аммиака в тканях происходит незначительно при синтезе аспарагина под действием глутаминзависимой и аммиакзависимой аспарагинсинтетазы. ФОРМУЛА! Глутаминсинтетаза находиться в митохондриях клеток, содержит кофактор — ионы Mg²⁺, является одним из основных регуляторных ферментов обмена АК. Она аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6ф, гли, ала и гис. Глутамин, путём облегчённой диффузии, легко проходит клеточные мембраны (для глутамата возможен только активный транспорт), поступает из тканей в кровь и транспортируется в кишечник и почки. В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака: ФОРМУЛА! Серотонин – возбуждающий нейромедиатор средних отделов мозга (проводящих путей) и гормон. Стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, вазоконстриктор, регулирует АД, температуру тела, дыхание, антидепрессант. ГАМК ГАМК образуется и разрушается в ГАМК-шунте ЦТК в высших отдела мозга. Он имеет очень высокую концентрацию. ФОРМУЛА! ГАМК – тормозной нейромедиатор (повышает проницаемость постсинаптических мембран для К⁺), повышает дыхательную активность нервной ткани, улучшает кровоснабжение головного мозга. Гистамин Гистамин образуется в тучных клетках. Секретируется в кровь при повреждении ткани, развитии иммунных и аллергических реакций. ФОРМУЛА!

Заболева­ние	Дефект фермента	Тип наследова­ния	Клинические проявления	Метаболиты
кровь	моча
Гиперам-мониемия, тип I	Карбамоил-фосфат-синтетаза I	Аутосомно-рецессивный	В течение 24-48 ч после рождения кома, смерть	Глн Ала NH3	Оротат
Гиперам-мониемия, тип II	Орнитин-карбамоил-трансфераза	Сцепленный с Х-хромосомой	Гипотония, снижение толерантности к белкам	Глн Ала NH3	Оротат
Цитрул-линемия	Аргинино-сукцинат-синтетаза	Аутосомно-рецессивный	Гипераммониемия тяжёлая у новорождённых. У взрослых — после белковой нагрузки	Цитруллин NH3	Цитруллин
Аргинино-сукцина-турия	Аргинино-сукцинатлиаза	Аутосомно-рецессивный	Гипераммониемия, атаксия, судороги, выпадение волос	Аргини-носукцинат NH3	Аргини-носукци-нат, Глн, Ала, Лиз
Гиперар-гининемия	Аргиназа	Аутосомно-рецессивный	Гипераргининемия	Apг NH3	Apг Лиз Орнитин

Снижение активности какого-либо фермента синтеза мочевины приводит к накоплению в крови субстрата данного фермента и его предшественников.

При гипераммониемиях I и II типа происходит накопление карбамоилфосфата в митохондриях и выход его в цитозоль. Это вызывает увеличение скорости синтеза пиримидиновых нуклеотидов (вследствие активации карбамоилфосфатсинтетазы II), что приводит к накоплению оротата, уридина и урацила и выведению их с мочой.

Тяжесть течения заболевания зависит также от степени снижения активности ферментов.

Все нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации аммиака (до 6000 мкмоль/л), глутамина и аланина.

Гипераммониемия сопровождается появлением следующих симптомов:

· тошнота, повторяющаяся рвота;

· головокружение, тремор, судорожные припадки;

· нечленораздельная речь;

· потеря сознания, отёк мозга (в тяжёлых случаях);

· отставание умственного развития (при хронической врождённой форме).

· В тяжёлых случаях развивается кома с летальным исходом.

Все симптомы гипераммониемии — проявление действия аммиака на ЦНС.

Для диагностики различных типов гипераммониемии производят определение содержания аммиака в крови, метаболитов орнитинового цикла в крови и моче, активности фермента в биоптатах печени.

Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается. Регенерация аспартата из фумарата Фумарат, образующийся в орнитиновом цикле, в цитозоле превращается в ЩУК, который переаминируется с аланином или глутаматом с образованием аспартата. Аланин поступает главным образом из мышц и клеток кишечника: ФОРМУЛА! 3. В цитозоле аргининосукцинатлиаза (аргининсукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат (аминогруппа аспартата оказывается в аргинине). ФОРМУЛА!   ФАФС используется: 1. В обезвреживании ксенобиотиков: ФОРМУЛА! МЕТИОНИН Метионин — незаменимая аминокислота, может регенерировать из гомоцистеина с участием серина и глицина. Метионин: 1. участвует в синтезе белков организма; 2. является источником метильной группы, используемой в реакциях трансметилирования; 3. является источником атома серы, необходимого для синтеза цистеина; 4. участвует в реакциях дезаминирования; 5. Метионил-тРНК участвует в инициации процесса трансляции. Образование S-аденозилметионина Метильная группа в метионине прочно связана с серой, поэтому донором этого одноуглеродного фрагмента служит активная форма метионина - S-аденозилметионин (SAM). (SAM — нестабилен т.к. сера при валентности 2 имеет 3 связи). SAM образуется при присоединении метионина к аденозину с участием метионинаденозилтрансферазы (есть во всех типах клеток). Аденозин образуется при гидролизе АТФ. Ресинтез метионина, роль ТГФК и витамина В₁₂. Связь обменов метионина и цистеина ФОРМУЛА! Реакции трансметилирования с участием S-аденозилметионина Отщепление метильной группы от SAM и перенос её на соединение-акцептор катализируют ферменты метилтрансферазы. SAM в ходе реакции превращается в S-аденозилгомоцистеин (SAT). Синтез холина ФОРМУЛА! Гиповитаминоз В₁₂ сопровождается: 1. макроцитарной (мегалобластической) анемией: снижение числа эритроцитов, гемоглобина, увеличение размера эритроцитов. Причина — нарушение синтеза ДНК. 2. расстройствами деятельности нервной системы. При распаде жирных кислот с нечетным количеством атомов С и разветвленных АК из-за дефицита В₁₂ накапливается нейротоксичная метилмалоновая кислота. ОБМЕН СЕРИНА И ГЛИЦИНА Серин и глицин - заменимые аминокислоты. Синтез серина: ФОРМУЛА! Обмен глицина: Основной путь синтеза ФОРМУЛА! Специфические пути обмена аминокислот ФОЛИЕВАЯ КИСЛОТА Значительную роль в обмене ряда АК, синтезе некоторых сложных липидов, нейромедиаторов, гормонов и ряда других веществ играют производные фолиевой кислоты. Фолиевая кислота широко распространёна в продуктах животного и растительного происхождения, синтезируется микрофлорой кишечника. ФОРМУЛА! Активная форма фолиевой кислоты – ТГФК. Она образуется в печени при восстановлении фолиевой кислоты с участием фолатредуктазы и дигидрофолатредуктазы, коферментом которых служит НАДФН₂. ФОРМУЛА! Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата. Хотя, если учитывать последующее образование глутамина, реакция выгодна для клеток, так как способствует связыванию сразу 2 молекул NH₃. Обмен глутамина Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма (основные поставщики мышцы, мозг и печень), является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы: ФОРМУЛА! Аммиак с протонами и анионами образует соли аммония (0,5 г/сут), которые выделяются с мочой. Этот процесс используется для регуляции КОС и сохранения в организме важнейших катионов Na⁺ и К⁺. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, ингибируется при алкалозе. В клетках кишечника также под действием глутаминазы происходит гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака: ФОРМУЛА! Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных. Обмен аланина Из мышц и кишечника избыток аминого азота выводится преимущественно в виде аланина. В кишечнике: ФОРМУЛА! Он необходим, так как активность глу-ДГ в мышцах невелика и непрямое дезаминирование АК малоэффективно. Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада АК. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак идет на синтез мочевины, а ПВК включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до ПВК. ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ Большая часть свободного аммиака, а также аминного азота в составе АК (в основном глутамин, аланин) поступают в печень, где из них синтезируется нетоксичное и хорошо растворимое в воде соединение — мочевина. Мочевина является основной формой выведения азота из организма человека. Синтез мочевины происходит в цикле, который замыкается орнитином. Цикл открыли в 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт. Мочевина (карбамид) — полный амид угольной кислоты — содержит 2 атома азота, один из аммиака, другой – из асп. Реакции орнитинового цикла Предварительно в митохондриях под действием карбамоилфосфатсинтетазы I с затратой 2 АТФ аммиак связывается с СО₂ с образованием карбамоилфосфата: ФОРМУЛА! 2. В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза с затратой 1 АТФ (двух макроэргических связей) связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарная кислота). Фермент нуждается в Mg²⁺. Аспартат — источник второго атома азота мочевины. ФОРМУЛА! 5. В цитозоле аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину. У аргиназы кофакторы ионы Са²⁺ или Мn²⁺, ингибиторы - высокие концентрации орнитина и лизина. ФОРМУЛА! Малат может направиться в митохондрии и включиться в ЦТК. Пируват, образующийся в этих реакциях из аланина, используется для глюконеогенеза. Общее уравнение синтеза мочевины: CO₂ + NH₃ + асп + 3 АТФ + 2 Н₂О → мочевина + фумарат + 2АДФ + АМФ + 2Фн + ФФн Энергетический баланс орнитинового цикла На синтез 1 мочевины расходуются 4 макроэргических связи 3 АТФ. Дополнительные затраты энергии связаны с трансмембранным переносом веществ и экскрецией мочевины. Энергозатраты при этом частично компенсируются: · при окислительном дезаминировании глутамата образуется 1 молекула НАДН₂, которая обеспечивает синтез 3 АТФ; · в ЦТК, при превращении малата в ЩУК образуется еще 1 молекула НАДН₂, которая также обеспечивает синтез 3 АТФ; Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 функции: 1. превращение азота АК в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака; 2. синтез аргинина и пополнение его фонда в организме. Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. Отдельные же ферменты орнитинового цикла обнаруживаются в разных тканях. В энтероцитах, есть карбамоилфосфатсинтетаза I и орнитинкарбамоилтрансфераза, следовательно, может синтезироваться цитруллин. В почках есть аргининосукцинатсинтетаза и аргининосукцинатлиаза. Цитруллин, образовавшийся в энтероцитах, может поступать в почки и превращаться там в аргинин, который переносится в печень и гидролизуется аргиназой. Активность этих рассеянных по разным органам ферментов значительно ниже, чем в печени. Выделение азота из организма Азот выводиться из организма с мочой, калом, потом и с выдыхаемым воздухом в виде различных соединений. Основная масса азота выделяется из организма с мочой в виде мочевины (до 90%). В норме соотношение азотсодержащих веществ в моче составляет: мочевина 86%, креатинин 5%, аммиак 3%, мочевая кислота 1,5% и другие вещества 4,5%. Экскреция мочевины в норме составляет 25 г/сут, солей аммония 0,5 г/сут. ГИПЕРАММОНИЕМИЯ Нарушение реакций обезвреживания аммиака может вызвать повышение содержания аммиака в крови — гипераммониемию, что оказывает токсическое действие на организм. Причинами гипераммониемии могут быть: 1. генетические дефекты ферментов орнитинового цикла в печени; 2. вторичное поражение печени в результате цирроза, гепатита или других заболеваний. Известны пять наследственных заболеваний, обусловленные дефектом пяти ферментов орнитинового цикла. Наследственные нарушения орнитинового цикла и их основные проявления Лечение больных с различными дефектами орнитинового цикла в основном направлено на снижение концентрации аммиака в крови за счёт малобелковой диеты, введения кетоаналогов АК в рацион и стимуляцию выведения аммиака в обход нарушенных реакций: · путём связывания и выведения NH₃ в составе фенилацетилглутамина и гиппуровой кислоты. Пищевой фенилацетат при конъюгации с глутамином образует фенилацетилглутамин, а пищевой бензоат при конъюгации с глицином образует гиппуровую кислоту, которые потом выводится с мочой; · повышением концентрации промежуточных метаболитов цикла (аргинина, цитруллина, глутамата), образующихся вне блокируемых реакций. Введение больших доз цитруллина стимулирует синтез мочевины из аспартата. Большие дозы аргинина стимулируют регенерацию орнитина и выведение азота в составе цитруллина и аргининосукцината. Обмен аминокислот и аммиака между тканями Печень В печень азот поступает в основном в виде аммиака, глутамина, аланина, а меньше в виде других АК в основном из мышц и кишечника. Поглощает АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Синтезирует глюкозу в основном из аланина и серина. Мышцы Поглощают АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Выделяют много аланина и глутамина меньше других АК. Кишечник Поглощает глутамин. Выделяет много аланина. С пищей из кишечника поступают все аминокислоты. Мозг Поглощает много АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Выделяет много глутамина. Почки Поглощают глутамин. Выделяют много серина и немного аланина. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Некоторые АК и их производные могут подвергаться декарбоксилированию – отщеплению α-карбоксильной группы. У млекопитающих декарбоксилируются: три, тир, вал, гис, глу, цис, арг, орнитин, SAM, ДОФА, 5-окситриптофан и т.д. Реакцию необратимо катализируют декарбоксилазы, которые содержат в активном центре пиридоксальфосфат. Механизм реакции похож на реакцию переаминирования. Продуктами реакции являются СО₂ и биогенные амины, выполняющие регуляторные функции (гормоны, тканевые гормоны, нейромедиаторы). Серотонин Серотонин образуется из три в надпочечниках, ЦНС и тучных клетках. ФОРМУЛА! Гистамин – медиатор воспаления, аллергических реакций, пищеварительный гормон: 1. стимулирует секрецию желудочного сока, слюны; 2. повышает проницаемость капилляров, расширение сосудов, покраснение кожи, вызывает отеки, снижает АД (но увеличивает внутричерепное давление, вызывает головную боль); 3. сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье; 4. вызывает аллергическую реакцию; 5. нейромедиатор; 6. медиатор боли. Дофамин Дофамин образуется (фен → тир → ДОФА → дофамин) в мозге и мозговом веществе надпочечников. ФОРМУЛА! Дофамин – нейромедиатор среднего отдела мозга. Образование одноуглеродных фрагментов, их взаимопревращения ТГФК принимает от АК одноуглеродные фрагменты: серин и глицин дают метиленовый фрагмент (-СН₂-), гистидин – формимино- и формильный фрагменты. В составе ТГФК одноуглеродные фрагменты могут подвергаться взаимопревращениям: метиленовая группа превращаться в метенильную (-СН=), формильную (-НС=О), метильную (-СН₃) и формиминогруппу (-CH=NH). ФОРМУЛА! Затем ТГФК отдает одноуглеродные фрагменты на синтез новых соединений: · пуриновых оснований · тимидиловой кислоты · регенерации метионина и т.д. Недостаточность фолиевой кислоты Гиповитаминоз фолиевой кислоты возникает редко, он приводит к: 1. мегалобластической (макроцитарной) анемия. Она характеризуется уменьшением количества эритроцитов, снижением содержания в них гемоглобина, что вызывает увеличение размера эритроцитов. Причина — нарушение синтеза ДНК и РНК из-за недостатка тимидиловой кислоты и пуриновых нуклеотидов. 2. лейкопении; 3. задержке роста. КОБАЛАМИН (В₁₂) В₁₂ синтезируется только микроорганизмами, им богаты печень, почки. Активные формы кобаламина – метилкобаламин (цитоплазма) и дезоксиаденозилкобаламин (митохондрии). Кобаламин участвует: 1. в передачи метила с метил-ТГФК на гомоцистеин при регенерации метионина. 2. в превращениях одноуглеродных фрагментов в составе ТГФК. 3. в метаболизме жирных кислот с нечетным числом атомов С и аминокислот с разветвленной цепью. Перенос протонов в реакциях изомеризации. Недостаточность В₁₂ Гиповитаминоз возникает при нарушении всасывании В₁₂ (дефицит фактора Касла при пониженной кислотности желудочного сока). Основной путь катаболизма (в митохондриях печени) ФОРМУЛА! Схема путей обмена серина и глицина Серии и глицин выполняют в организме человека разнообразные и очень важ­ные функции. Глицин — важнейший (после ГАМК) тормозной нейромедиатор в спинном мозге, промежуточном мозге и некоторых отделах головного мозга. Наследственные нарушения обмена глицина Известно несколько заболеваний, связанных с нарушениями обмена глицина. В их основе лежит недостаточность ферментов или дефект системы транспорта этой АК. Гиперглицинемия возникает при дефекте глицинрасщепляющей системы. Проявляется повреждением мозга, судорогами, гипотонией, нарушением дыхания. Глицинурия характеризуется повышенным выделением глицина с мочой (до 1 г/сут) при нормальном содержании его в крови. Причиной является нарушение реабсорбции глицина в почках. Первичная гипероксалатурия характеризуется постоянно высоким выделением оксалата с мочой, независимо от поступления его с пищей. Дефект глицинаминотрансферазы блокирует превращение глиоксилата снова в глицин. Глицин → глиоксилат → оксалат Прогрессирует двустороннее образование оксалатных камней в мочевыводящих путях, развиваются нефрокальциноз и инфекция мочевыводящих путей. Больные погибают в детском возрасте от почечной недостаточности или гипертонии. В состав белков человека входят 2 АК, содержащие серу, — метионин и цистеин. Эти аминокислоты метаболически тесно связаны между собой. Синтез лецитина ФОРМУЛА! Аналогично синтезируются: 1. из ГАМК → карнитин; 2. из гуанидинацетата → креатин; 3. из норадреналина → адреналин; 4. из карнозина → анзерин; 5. Реакции трансметилирования используются также в синтезе азотистых оснований, инактивации гормонов, нейромедиаторов и обезвреживании ксенобиотиков. ЦИСТЕИН Цистеин – серосодержащая условнозаменимая АК. Синтезируется из незаменимого метионина и заменимого серина. Нарушение синтеза цистеина возникает при гиповитаминозе фолиевой кислоты, В₆, В₁₂ или наследственных дефектах цистатионинсинтазы и цистатионинлиазы. Гомоцистеин превращается в гомоцистин, который накапливается в крови, тканях и выделяется с мочой. Обмен цистеина: схема путей, их значение. Цистеин: 1. используется в белках для формирования третичной структуры (дисульфидные мостики); 2. SH группы цистеина формируют активный центр многих ферментов; 3. идет на синтез глутатиона, таурина (парные желчные кислоты), НS-КоА, ПВК (глюкоза); 4. Является источником сульфатов, которые идут на синтез ФАФС или выделяются с мочой. Образование сульфат-иона, его утилизация (образование ФАФС). ФОРМУЛА! Использование глутамата 1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов; 2. Ведущая роль в интеграции азотистого обмена. Обеспечивает реакции переаминирования АК: глутамат универсальный донор аминогруппы для синтеза заменимых АК (Ала, Асп, Асн, Сер, Гли, Глн, Про). Обеспечивает непрямое дезаминирование большинства АК. Участвует в обезвреживании аммиака с образованием глутамина; 3. Является источником α-КГ, необходимого для ЦТК и синтеза АТФ; 4. Входит в состав глутатиона; Глутамат содержится в больших количествах в головном мозге, где выполняет разнообразные функции: 1. один из основных возбуждающих нейромедиаторов в коре, гиппокампе, полосатом теле и гипоталамусе; 2. используется для синтеза тормозного нейромедиатора ГАМК; 3. В виде пироглутамата (циклическая форма) входит в состав нейропептидов — люлиберина, тиролиберина, нейротензина, бомбезина и др.; 4. участвует в регуляции процессов памяти; 5. глутамат служит источником янтарной кислоты (сукцинат), которая может окисляться при гипоксии, давая АТФ (антигипоксант); 6. участвует в обезвреживании аммиака с образованием глутамина ФОРМУЛА! Нарушение обмена глутамата приводит к целому ряду патологических нарушений ЦНС: эпилепсии, расстройствах вестибулярной системы, ишемии и др. Глутамат и его аналоги используют как лекарственные средства при хронической недостаточности аминокислотного обмена, вегетососудистой дистонии, эпилепсии (в качестве предшественника ГАМК — тормозного медиатора). Синтез НАД⁺ уменьшает потребность организма в витамине РР. Серотониновый путь ФОРМУЛА! Серотонин образуется в надпочечниках, ЦНС и тучных клетках. Серотонин – возбуждающий нейромедиатор средних отделов мозга (проводящих путей) и гормон. Стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, вазоконстриктор, регулирует АД, температуру тела, дыхание, антидепрессант. Гниение в кишечнике В кишечнике под действием микрофлоры триптафан подвергается процессу гниения с образованием токсичных соединений: скатола, индола и триптамина. ФОРМУЛА! Альбинизм При наследственном дефекте тирозиназы (1:20000) в меланоцитах нарушается синтез меланинов и развивается альбинизм. Клиническое проявление альбинизма (от лат. albus — белый) — отсутствие пигментации кожи, сетчатки глаз и волос. У больных часто снижена острота зрения, возникает светобоязнь. Длительное пребывание таких больных под открытым солнцем приводит к раку кожи. 3. Превращение тирозина в щитовидной железе В щитовидной железе из тирозина синтезируются и выделяются гормоны йодтиронины: тироксин (тетрайодтиронин) и трийодтиронин. 5. Катаболизм тирозина в печени Катаболизм тирозина происходит в печени по гомогентизиновому пути (схема). ФОРМУЛА! Фумарат может окисляться до СО₂ и Н₂О или использоваться для глюконеогенеза. Ацетоацетат — кетоновое тело, окисляемое до СО₂ и Н₂О с выделением энергии. Алкаптонурия(«чёрная моча») При наследственном дефекте диоксигеназы гомогентизиновой кислоты (2—5 случаев на 1 млн новорождённых) развивается алкаптонурия. При алкаптонурии происходит накопление в организме гомогентизиновой кислоты, избытки которой выделяются с мочой. На воздухе гомогентизиновая кислота окисляется с образованием тёмных пигментов - алкаптонов. Клиническими проявлениями болезни, кроме потемнения мочи на воздухе, являются пигментация соединительной ткани (охроноз) и артрит. Тирозинемии Некоторые нарушения катаболизма тирозина в печени приводят к тирозинемии и тирозинурии. Различают 3 типа тирозинемии. 1.Тирозинемия типа 1 (тирозиноз). Причиной заболевания является дефект фумарилацетоацетатгидролазы. Накапливающиеся метаболиты снижают активность некоторых ферментов и транспортных систем аминокислот. Патофизиология этого нарушения достаточно сложна. Острая форма тирозиноза характерна для новорождённых. Клинические проявления — диарея, рвота, задержка в развитии. Без лечения дети погибают в возрасте 6—8 мес из-за развивающейся недостаточности печени.   ТИРОЗИН Тирозин — условно заменимая АК, образуется из незаменимого фенилаланина. Содержание тир в пищевых белках достаточно велико. Тирозин используется в синтезе белков, катехоламинов, тиреоидных гормонов и меланинов. Обмен тирозина зависит от типа тканей. 1. Обмен тирозина в надпочечниках и нервной ткани В мозговом веществе надпочечников и нервной ткани тирозин метаболизирует по катехоламиновому пути с образованием дофамина, норадреналина и адреналина (только в надпочечниках). ФОРМУЛА! 6). Окислительно-восстановительная реакция. Сукцинатдегидрогеназа, флавопротеин содержащий Fe₂S₂, связана с внутренней мембраной митохондрии. СДГ ингибирует ЩУК и Сукцинил-КоА, ФОРМУЛА! 7). Фумараза локализуется в матриксе митохондрий. ФОРМУЛА! 8). Окислительно-восстановительная реакция. Малат ДГ локализуется в матриксе митохондрий. ФОРМУЛА! Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь. Энергетический баланс одного оборота ЦТК В 4 окислительно-восстановительных реакциях ЦТК образуются 3 НАДН₂ и 1 ФАДН₂, которые направляются далее в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования ДЦ из 1 НАДН₂ образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН₂ - 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН₂, 1 ФАДН₂ и 1 ГТФ получается 12 АТФ. А + О₂ → АO₂ 5).Гидроксипероксидазы разрушаютперекиси водорода и органические перекиси. Ферментыпероксидаза и каталаза. Пероксидазы, содержат протогем, восстанавливают перекись до воды за счет хинонов, аскорбата или цитохрома с. Глутатионперосидаза, содержит селен, восстанавливает перекись до воды за счет глутатиона. Н₂О₂ + ZH₂ → 2Н₂О + Z. Каталаза, гемопротеин, использует одну Н₂О₂ как донор е^-, а вторую Н₂О₂ как акцептор е^-, в результате образуется вода и молекула кислорода. Каталазы много в крови, костном мозге, слизистых оболочках, почках и печени. 2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂. Цикл Кребса ЦТК является процессом окисления АцетилКоА - универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В ЦТК участвуют 5 витаминов В₁, В₂, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД⁺, КоА и липоата. Основной функции ЦТК является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических соединений. Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема. Регуляция ЦТК. Осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитрат ДГ, α-КГ ДГ и СДГ. ЦТК ингибируется в основном НАДН₂ и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют ЦТК в основном НАД⁺ и АДФ. Реакции ЦТК 1). Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют ЩУК, НАД⁺; ингибируют АТФ, НАДН₂, Сукцинил-КоА, цитрат. ФОРМУЛА! Субстрат тканевого дыхания – это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования. Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О₂ принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо. Свободная энергия. Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ∆G. У катаболических реакций ∆G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анболических реакций ∆G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции). Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е_о'), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Е_о' выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот. Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у О₂. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания. Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется в несколько этапов: 1. При переваривании в ЖКТ происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров, которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен. 2. В ходе катаболизма моносахара, жирные кислоты и аминокислоты превращаются в универсальное вещество - Ацетил-КоА (исключение некоторые АК). 3. Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в последовательных реакциях образуются субстраты тканевого дыхания: изоцитрат, α-КГ, сукцинат и малат. 4. Окисление тканевого дыхания сопровождается восстановлением коферментов НАДН₂ и ФАДН₂, которые затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного фосфорилирования. Пути использования кислорода в клетке В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме: 1. Оксидазный путь - окислительное фосфорилирование. Является основным источником АТФ в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода. Использование аспартата 1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов; 2. Участвует в орнитиновом цикле при синтезе мочевины; 3. Участвует в синтезе карнозина, анзерина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, N-ацетиласпарагиновой кислоты. АСПАРАГИН Синтез аспарагина ФОРМУЛА! Использование аспарагина 1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов; История развития учения о биологическом окислении Изучение окисления в организме было начато в 18 в. А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование БО (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР - А. Н.Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др. В 1777г французский химик Антуан ЛоранЛавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О₂. Так как горение и дыхание сопровождаются потреблением О₂ и выделение СО₂, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения: оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды. В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления. В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию медленного окисления», согласно которой молекула О₂ сначала активируется. Активация О₂ происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и   2. Митохондриальные монооксигеназные системы Митохондриальные монооксигеназные системы состоят из нескольких компонентов, локализованных на внутренней поверхности внутренней мембране митохондрий, и катализируют высокоспецифичные реакции. Компонентами этих систем могут быть: НАДН₂-зависимые ФАД-содержащее редуктазы, Fe₂S₂-белки (адренодоксин), цитохромы Р₄₅₀, b₅, элонгазы и т.д. Эти системы находятся в стероидогенных тканях — в коре надпочечников, в семенниках, яичниках и плаценте; они участвуют в биосинтезе стероидных гормонов из холестерола (гид-роксилирование по С₂₂ и С₂₀ при отщеплении боковой цепи и по положениям 11β и 18). Ферменты почечной системы катализируют гидроксилирование 25-гидроксихолекальциферола по положениям 1α и 24; в печени происходит гидроксилирование холестерола по положению 26 при биосинтезе желчных кислот. Пролингидроксилазы включают гидроксильные группы в аминокислотные остатки пролина в молекуле проколлагена. Донором протонов и электронов для нее является витамин С. С оксипролином зрелый коллаген приобретает большую механическую прочность. Диоксигеназные реакции Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода: А + О₂ → АО₂ Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР. Например, гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe²⁺, участвует в катаболизме тирозина: ФОРМУЛА! Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины. При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет —7,3 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ. Таким образом, АТФ — главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч. Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ—АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта». Биологическое окисление. Механизмы оксигеназного и свободно - радикального окисления веществ. АОЗ клетки. ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА Оксигеназы это ферменты, которые катализируют включение кислорода в молекулу субстрата, они участвуют в синтезе и деградации многих типов ме­таболитов. Оксигеназы работают в составе мультиферментных комплексов, встроенных в мембрану. По способу включения кислорода их делят на: монооксигеназы и диоксигеназы. Монооксигеназные реакции Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН₂, НАДН₂, реже витамин С: А-Н + О₂ + ZH₂ → А-ОН + Н₂О + Z Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии. 1. Микросомальные монооксигеназные системы потенциалов составляют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 220 мВ, и складывается из 160 мВ ∆V и 60 мВ ∆рН (при ∆рН=1). Механизм переноса протонов через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Однако установлено что важную роль в этом процессе играет КоQ. Цепь окисления 1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).2. КоQ с 2е^- забирает 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).Созданный в цепи окисления электрохимический потенциал используется на: 40-45% для фосфорилирования; на 25% для транспорта веществ через мембрану и на 30-35% для теплопродукции. I, III и IV комплексы ЦПЭ называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, так как они создают электрохимический потенциал, необходимый для фосфорилирования.1). Механизм фосфорилированияАТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей. Электрохимический потенциал заставляет Н⁺ двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. При каждом переносе протонов через канал F_o энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла 1) связывание АДФ и Н₃РО₄; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ. Таким образом, электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения дыхания и фосфорилирования, используется для синтеза одной молекулы АТФ. Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования (Р/О) называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания. Окисление молекулы НАДН₂ в ЦПЭ сопровож­дается образованием 3 молекул АТФ, сле­довательно, для НАДН₂ Р/О = 3. Электроны от ФАД-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. По­этому образуются только 2 молекулы АТФ, сле­довательно, для сукцината Р/О = 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт. Дыхательный контроль В норме субстраты окислительного фосфорилирования и О₂ находятся в достаточном количестве, поэтому лимитирует ЦПЭ только количество АДФ, так как оно зависит от интенсивности потребления АТФ. При нагрузке концентрация АДФ увели­чивается и ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АДФ снижается и тормозит дыхание и фосфорилирование. Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют НАДН₂ + ½О₂ → НАД⁺ + Н₂О + 220 кДж/мольАДФ + Н₃РО₄ + 30,5 кДж/моль = АТФ + Н₂О Компоненты цепи окислительного фосфорилирования 1). Цепь окисления (дыхательная цепь) состоит из 4 белковых комплексов, которые определенным образом встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами. СХЕМА!!! Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс –самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe₂S₂ и Fe₄S₄) белков. Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок. Комплекс III – Комплекс b-c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b₅₆₂, b₅₆₆, с₁, и железо-серный белок. Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а₃) и 2 атома меди. Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q₁₀). Убихинон переносит